JP6958804B2 - 電極、その電極を用いた電池およびその電池の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電極、その電極を用いた電池およびその電池の製造方法に関する。

近年急速に普及しつつある電気自動車は、一充電当たりの走行距離が長くしかも機敏に走ることができる、といった走行特性が求められる。このため、電気自動車に搭載する電池はエネルギー密度（Ｗｈ／Ｋｇ）および出力密度（Ｗ／Ｋｇ）が大きいことが要求される。また、電気自動車は電池の設置スペースが限られているため、電池の小型化も要求される。

しかし、電池のエネルギー密度と電池の出力密度とは二律背反の関係にあるため、高エネルギー密度で高出力の電池を創ることは難しい。電池のエネルギー密度と電池の出力密度の共に大きい電池を製造するために、電極活物質、電解液の開発がされている。その一方で、下記特許文献１に示すような、電極構造を三次元化した電池の構造も開発されている。

国際公開第２０１４／０３８４５５号

確かに、特許文献１に示されている電極構造の電池によれば、電池の出力密度を低下させることなく、エネルギー密度を向上させることができる。

しかし、特許文献１に示されている電極構造は、正負の両電極が長方形の凹凸を繰り返す櫛形形状であるため、凹凸の角部分に電流が集中しやすくなる。このため、正負の電極間での電流の分布が不均一になり、エネルギー密度と出力密度とを向上させることは難しい。

エネルギー密度と出力密度とをさらに向上させるためには、理論的には、より高解像（細かなピッチ）で長方形の凹凸を繰り返す、高解像度の櫛形形状とすればよい。しかし、高解像度の櫛形形状の電極とすることは、生産性、信頼性、製造上の問題が生じるため、現実的ではない。

本発明は、以上のような従来の技術の問題を解消するために成されたものであり、電池のエネルギー密度と電池の出力密度とを向上させることができる、電極、その電極を用いた電池およびその電池の製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る電極は、土台部と、互いに間隔を開けて並び土台部から突出する複数の突起部と、を備えている。突起部のそれぞれは、土台部から突出する突起支柱部と、突起支柱部から突出する突起先端部と、から構成され、突起部が並ぶ方向の、突起先端部の最大幅は突起支柱部の最小幅よりも大きい。

上記目的を達成するための本発明に係る電池は、上記の電極を正極および負極とし、正極のそれぞれの隣り合う突起部の間に負極の突起部が位置され、正極の突起部と負極の突起部との間にはセパレータが介在される。

上記目的を達成するための本発明に係る電池の製造方法は、上記の電池を、３Ｄプリンタにより、正極または負極の土台部を形成する段階と、正極または負極の突起支柱部およびセパレータを交互に形成する段階と、正極または負極の突起支柱部、セパレータ、負極または正極の突起先端部、セパレータを繰り返し形成する段階と、正極または負極の突起先端部、セパレータ、負極または正極の突起支柱部、セパレータを繰り返し形成する段階と、負極または正極の突起支柱部およびセパレータを交互に形成する段階と、負極または正極の土台部を形成する段階と、を実施する。

本発明に係る電極、その電極を用いた電池によれば、電池のエネルギー密度と電池の出力密度とを向上させることができる。

本発明に係る電池の製造方法によれば、エネルギー密度と出力密度とを向上させることができる電池を３Ｄプリンタによって製造することができる。

実施形態１に係る電池の断面図である。 図１に記載した電池の正極の斜視図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の製造方法を示す図である。 実施形態１に係る電池の変形例を示す図である。 実施形態２に係る電池の断面図である。 実施形態２に係る電池の変形例を示す図である。 実施形態３に係る電池の断面図である。 実施形態３に係る電池の変形例を示す図である。 実施形態４に係る電池の断面図である。 実施形態４に係る電池の変形例を示す図である。 実施形態５に係る電池の断面図である。 実施形態５に係る電池の変形例を示す図である。 従来の電池の正極と負極との間の電流密度分布の説明に供する図である。 従来の電池と実施形態１に係る電池のシミュレーション結果を示す図である。 従来の電池と実施形態１に係る電池のＳＯＣ−電圧特性（１Ｃ）を示すグラフである。 従来の電池と実施形態１に係る電池のＳＯＣ−電圧特性（５Ｃ）を示すグラフである。 従来の電池と実施形態１に係る電池のＤＯＤ−放電レート特性を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を、［実施形態１］から［実施形態５］に分けて説明する。なお、図中、同様の部材には同一の符号を用いた。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張される場合があり、実際の比率とは異なる場合がある。

［実施形態１］
（電池の構成）
図１は、実施形態１に係る電池の断面図である。図１に示す電池１００は、具体的には、扁平な矩形形状を有するリチウムイオン二次電池の発電要素となる。一般的には、多数の電池１００を並列および直列に接続することによってリチウムイオン二次電池が構成される。

電池１００は、正極集電体１１０、正極電極１２０、セパレータ１５０、負極電極１７０、負極集電体１６０から構成される。正極集電体１１０と正極電極１２０とによって正極１３０が構成され、負極集電体１６０と負極電極１７０とによって負極１８０が構成される。

電池１００は、正極１３０および負極１８０が対向して配置されている。正極１３０のそれぞれの隣り合う突起部１２８の間に負極１８０の突起部１７８が互い違いに組み合うように位置される。正極１３０の突起部１２８の寸法および形状と負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは同一である。正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８との間にはセパレータ１５０が介在されている。

正極集電体１１０にはアルミニウム箔が用いられる。正極電極１２０は正極活物質によって形成され、正極活物質には、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ＬｉＣｏＯ_２、およびＬｉＮｉＯ_２等の複合酸化物が用いられる。正極活物質は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のバインダーにより結着され、炭素材料等の導電助剤が必要に応じて添加される。

セパレータ１５０は、シート状の多孔質体であり、電解液を保持している。セパレータ１５０には、たとえば、ポリオレフィン微多孔膜が用いられ、電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の混合溶媒にＬｉＰＦ６等のリチウム塩が溶解したものを用いている。電解液には、メチレンメタンジスルホネート（ＭＭＤＳ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、およびフルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）等の電解液添加剤が添加される。

負極集電体１６０には銅箔が用いられる。負極電極１７０は負極活物質によって形成され、負極活物質には、グラファイト、カーボンブラック、およびハードカーボン等の炭素材料が用いられる。負極活物質は、スチレンブタジエンラバー（ＳＢＲ）／カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）混合バインダー等の水系バインダーにより結着され、炭素材料等の導電助剤が必要に応じて添加される。

実施形態１に係る電池１００は、正極１３０の突起部１２８の形状、負極１８０の突起部１７８の形状を工夫して、曲線のみの形状からなる円形形状としている。また、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状と負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とを同一にしている。これによって、突起部１２８、１７８間を流れる電流の分布は均一となって、局部的な電流集中を避けることができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

（電極の構成）
図２は、図１に記載した電池１００の正極１３０の斜視図である。図２に示すように、正極１３０は、正極集電体１１０上に正極電極１２０を形成したものである。

正極電極１２０は、図に示す通り、土台部１２２と複数の突起部１２８とから構成される。土台部１２２は正極集電体１１０上に形成される。突起部１２８は、互いに間隔を開けて並び土台部１２２から突出する。突起部１２８のそれぞれは、土台部１２２から突出する突起支柱部１２４と、突起支柱部１２４から突出する突起先端部１２６と、から構成される。突起部１２８が並ぶ方向（図示Ｘ方向）の、突起先端部１２６の最大幅（先端部幅：Ｗｈ）は突起支柱部１２４の最小幅（支柱部幅：Ｗｐ）よりも大きい。具体的には、Ｗｈ≧１．２Ｗｐである。

このように、突起先端部１２６の最大幅Ｗｈを突起支柱部の１２４の最小幅Ｗｐよりも大きくすることによって、突起部１２８の表面積が増加する。このため、突起部１２８を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、正極１３０を電池１００に用いることによって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

ここで、土台部１２２は、正極電極１２０の内、正極集電体１１０の表面を図示Ｚ方向に正極電極１２０の外表面と接触するまで移動させたときの、その移動後の表面と、正極集電体１１０の表面と、で形成される厚みを有した部分である。したがって、土台部１２２は隣り合う突起部１２８を連結する。土台部１２２の存在は正極集電体１１０との接触面積を十分に確保する意味で非常に重要である。土台部１２２の定義は実施形態１−５において同一である。

突起先端部１２６は、正極電極１２０の先端部分の外形形状によって仮想的に形成した形状（図２では円形）の図示Ｚ方向の厚み（図２では円の直径）を有した、正極電極１２０の先端の部分である。突起先端部１２６の定義は実施形態１−５において同一である。

突起支柱部１２４は、土台部１２２と突起先端部１２６との間の部分である。突起支柱部１２４の定義は実施形態１−５において同一である。

また、突起部１２８を、突起部１２８が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、突起先端部１２６の断面積は、突起支柱部１２４の断面積よりも大きい。

このように、突起先端部１２６の断面積を突起支柱部の１２４の断面積よりも大きくすることによって、突起先端部１２６と土台部１２２との電極容量バランスが合わせやすくなり、イオン移動距離を小さくできる。このため、突起先端部１２６を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、正極１３０を電池１００に用いることによって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

図２に示す通り、突起部１２８を、突起部１２８が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、突起部１２８の断面の外形形状は曲線のみで形成されている。

このように、突起部１２８の断面の外形形状を曲線のみで形成すると、突起部１２８を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、正極１３０を電池１００に用いることによって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

また、突起部１２８は、突起部１２８が並ぶ方向に対して交差する方向（図示Ｙ方向）に延伸している。

このように、突起部１２８を突起部１２８が並ぶ方向に対して交差する方向に延伸させると、突起部１２８の表面積が大きくなる。このため、突起部１２８を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、正極１３０を電池１００に用いることによって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

正極１３０の構成は以上の通りである。なお、図１に示した負極１８０の構成も正極１３０の構成と同一である。したがって、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状と負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは同一であり、正極１３０と負極１８０とは対称的な形状を有している。

（電池の製造方法）
次に、図１に示した電池の製造方法を説明する。図１に示した電池１００は、３Ｄプリンタを用いて、次のような手順で製造される。

正極集電体１１０上に正極１３０の土台部１２２を形成する段階と、
正極１３０の突起支柱部１２４およびセパレータ１５０を交互に形成する段階と、
正極１３０の突起支柱部１２４、セパレータ１５０、負極１８０の突起先端部１７６、セパレータ１５０を繰り返し形成する段階と、
正極１３０の突起先端部１２６、セパレータ１５０、負極１８０の突起支柱部１７４、セパレータ１５０を繰り返し形成する段階と、
負極１８０の突起支柱部１７４およびセパレータ１５０を交互に形成する段階と、
負極１８０の土台部１７２を形成する段階と、
土台部１７２に負極集電体１６０を取り付ける段階と、
を実施することによって電池１００を製造する。

このような手順でそれぞれの部分を順に積層していくことによって、図１に示した電池１００を製造することができる。上記の製造方法を用いて電池１００を製造することによって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

図３から図９は、実施形態１に係る電池１００の製造方法を示す図である。３Ｄプリンタのヘッドは図中左側から右側に向けて移動するものとする。

まず、図３に示すように、正極集電体１１０の上に、正極１３０（図２参照）の土台部１２２を形成する。

次に、図４に示すように、正極１３０の土台部１２２上に突出するように突起支柱部１２４およびセパレータ１５０を交互に形成する。

次に、図５に示すように、正極１３０の突起支柱部１２４、セパレータ１５０、負極１８０の突起先端部１７６、セパレータ１５０を繰り返し形成する。

次に、図６に示すように、正極１３０の突起支柱部１２４上に突出するように突起先端部１２６、セパレータ１５０、負極１８０の突起支柱部１７４、セパレータ１５０を繰り返し形成する。

次に、図７に示すように、負極１８０の突起支柱部１７４およびセパレータ１５０を交互に形成する。

次に、図８に示すように、負極１８０の突起支柱部１７４に引き続き土台部１７２を形成する。

最後に、図９に示すように、土台部１７２に負極集電体１６０を取り付ける。

以上のような手順によって図１に示した電池１００が形成される。

［実施形態１の変形例］
図１０は、実施形態１に係る電池１００の変形例を示す図である。なお、この変形例に係る電池１００Ａの構成は、以下説明する点を除き、図１に示した電池１００の構成と同一である。

変形例に係る電池１００Ａと図１に示した電池１００との比較において、唯一異なる部分は、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８である。

つまり、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状は、負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは異なる寸法および形状である。また、正極１３０の突起部１２８を形成する突起先端部１２６の形状と負極１８０の突起部１７８を形成する突起先端部１７６の形状は類似する形状である。

図１０の突起先端部１２６の形状と突起先端部１７６の形状とを比較すると、突起先端部１２６が円形状であるのに対して、突起先端部１７６は円形状ではなく、楕円形状であることがわかる。つまり、正極１３０と負極１８０とは非対照的な形状を有していることがわかる。

このように、正極１３０と負極１８０とが非対称的な形状を有していても、突起部１２８と突起部１７８の断面の外形形状が曲線のみで形成されているので、突起部１２８と突起部１７８を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００が提供できる。

［実施形態２］
図１１は、実施形態２に係る電池の断面図である。なお、実施形態２に係る電池１００−２の構成は、以下説明する点を除き、図１に示した電池１００の構成と同一である。

電池１００−２においては、正極１３０の突起部１２８を突起部１２８が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、突起部１２８の断面の外形形状は、曲線および直線を交えて形成されている。負極１８０の突起部１７８の断面の外形形状も正極１３０の突起部１２８の断面の外形形状と同一である。

電池１００−２と図１に示した電池１００との比較において、異なる部分は、正極１３０の突起部１２８の形状と負極１８０の突起部１７８の形状である。電池１００−２の突起部１２８と突起部１７８の形状はキノコ形状であり、図１に示した電池１００の突起部１２８と突起部１７８の形状は円形状である。

このように、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８の形状を曲線および直線を交えたキノコ形状としても、突起部１２８、１７８の断面の外形形状に曲線の部分が含まれているので、突起先端部１２６、１７６との間の電流の集中を避けることができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００−２が提供できる。

［実施形態２の変形例］
図１２は、実施形態２に係る電池１００−２の変形例を示す図である。なお、この変形例に係る電池１００Ａ−２の構成は、以下説明する点を除き、図１１に示した電池１００−２の構成と同一である。

変形例に係る電池１００Ａ−２と図１１に示した電池１００−２との比較において、唯一異なる部分は、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８である。

つまり、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状は、負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは異なる寸法および形状である。また、正極１３０の突起部１２８を形成する突起先端部１２６の形状と負極１８０の突起部１７８を形成する突起先端部１７６の形状は類似する形状である。

図１２の突起先端部１２６の形状と突起先端部１７６の形状とを比較すると、キノコ形状であることについては類似しているが、キノコ形状の傘の部分の厚みが異なっていることがわかる。つまり、正極１３０と負極１８０とは非対照的な形状を有していることがわかる。

このように、正極１３０と負極１８０とが非対称的な形状を有していても、突起部１２８と突起部１７８の断面の外形形状に曲線の部分が含まれているので、突起部１２８と突起部１７８を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００Ａ−２が提供できる。

［実施形態３］
図１３は、実施形態３に係る電池の断面図である。なお、実施形態３に係る電池１００−３の構成は、以下説明する点を除き、図１に示した電池１００の構成と同一である。

電池１００−３においては、正極１３０の突起部１２８を突起部１２８が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、突起部１２８の断面の外形形状は、曲線および直線を交えて形成されている。また、突起部１２８の断面の外形形状の角部は、電流の集中を避けるため、少なくとも突起先端部１２６の最大幅Ｗｈの１０％以上の範囲で曲線的に面取りされている。負極１８０の突起部１７８の断面の外形形状も正極１３０の突起部１２８の断面の外形形状と同一である。

電池１００−３と図１に示した電池１００との比較において、異なる部分は、正極１３０の突起部１２８の形状と負極１８０の突起部１７８の形状である。

このように、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８の形状を曲線および直線を交えた形状としても、その角部が曲線的に面取りされているので、突起先端部１２６と突起先端部１７６との間の電流の集中を避けることができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００−３が提供できる。

［実施形態３の変形例］
図１４は、実施形態３に係る電池１００−３の変形例を示す図である。なお、この変形例に係る電池１００Ａ−３の構成は、以下説明する点を除き、図１３に示した電池１００−３の構成と同一である。

変形例に係る電池１００Ａ−３と図１３に示した電池１００−３との比較において、唯一異なる部分は、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８である。

つまり、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状は、負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは異なる寸法および形状である。また、正極１３０の突起部１２８を形成する突起先端部１２６の形状と負極１８０の突起部１７８を形成する突起先端部１７６の形状は類似する形状である。

図１４の突起先端部１２６の形状と突起先端部１７６の形状とを比較すると、形状は類似しているが、その厚みが異なっていることがわかる。つまり、正極１３０と負極１８０とは非対照的な形状を有していることがわかる。

このように、正極１３０と負極１８０とが非対称的な形状を有していても、突起部１２８と突起部１７８の断面の外形形状に曲線の部分が含まれているので、突起部１２８と突起部１７８を流出入する電流の集中を避けることができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００Ａ−３が提供できる。

［実施形態４］
図１５は、実施形態４に係る電池の断面図である。なお、実施形態４に係る電池１００−４の構成は、以下説明する点を除き、図１に示した電池１００の構成と同一である。

電池１００−４においては、正極１３０の突起部１２８を突起部１２８が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、突起部１２８の断面の外形形状は、直線のみで形成されている。また、突起部１２８の断面の外形形状の角部は、電流の集中を避けるため、少なくとも突起先端部１２６の最大幅Ｗｈの１０％以上の範囲で直線的に面取りされている。負極１８０の突起部１７８の断面の外形形状も正極１３０の突起部１２８の断面の外形形状と同一である。

電池１００−４と図１に示した電池１００との比較において、異なる部分は、正極１３０の突起部１２８の形状と負極１８０の突起部１７８の形状である。

このように、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８の形状を直線のみの形状としても、その角部が直線的に面取りされているので、突起先端部１２６と突起先端部１７６との間の電流の集中を緩和することができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００−４が提供できる。

［実施形態４の変形例］
図１６は、実施形態４に係る電池１００−４の変形例を示す図である。なお、この変形例に係る電池１００Ａ−４の構成は、以下説明する点を除き、図１５に示した電池１００−４の構成と同一である。

変形例に係る電池１００Ａ−４と図１５に示した電池１００−４との比較において、唯一異なる部分は、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８である。

つまり、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状は、負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは異なる寸法および形状である。また、正極１３０の突起部１２８を形成する突起先端部１２６の形状と負極１８０の突起部１７８を形成する突起先端部１７６の形状は類似する形状である。

図１６の突起先端部１２６の形状と突起先端部１７６の形状とを比較すると、形状は類似しているが、その厚みが異なっていることがわかる。つまり、正極１３０と負極１８０とは非対照的な形状を有していることがわかる。

このように、正極１３０と負極１８０とが非対称的な形状を有していても、突起部１２８と突起部１７８の断面の外形形状に直線状に面取りされた部分が含まれているので、突起部１２８と突起部１７８を流出入する電流の集中を緩和することができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００Ａ−４が提供できる。

［実施形態５］
図１７は、実施形態５に係る電池の断面図である。なお、実施形態５に係る電池１００−５の構成は、以下説明する点を除き、図１に示した電池１００の構成と同一である。

電池１００−５においては、正極１３０の突起部１２８を突起部１２８が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、突起部１２８の断面の外形形状は、直線のみで形成されている。負極１８０の突起部１７８の断面の外形形状も正極１３０の突起部１２８の断面形状と同一である。

電池１００−５と図１に示した電池１００との比較において、異なる部分は、正極１３０の突起部１２８の形状と負極１８０の突起部１７８の形状である。

このように、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８の形状を直線のみの形状としても、突起部１２８の面積が大きくなっているので、突起先端部１２６と突起先端部１７６との間の電流の集中を緩和することができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００−５が提供できる。

［実施形態５の変形例］
図１８は、実施形態５に係る電池１００−５の変形例を示す図である。なお、この変形例に係る電池１００Ａ−５の構成は、以下説明する点を除き、図１７に示した電池１００−５の構成と同一である。

変形例に係る電池１００Ａ−５と図１７に示した電池１００−５との比較において、唯一異なる部分は、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８である。

つまり、正極１３０の突起部１２８の寸法および形状は、負極１８０の突起部１７８の寸法および形状とは異なる寸法および形状である。また、正極１３０の突起部１２８を形成する突起先端部１２６の形状と負極１８０の突起部１７８を形成する突起先端部１７６の形状は類似する形状である。

図１８の突起先端部１２６の形状と突起先端部１７６の形状とを比較すると、形状は類似しているが、その厚みが異なっていることがわかる。つまり、正極１３０と負極１８０とは非対照的な形状を有していることがわかる。

このように、正極１３０と負極１８０とが非対称的な形状を有していても、突起部１２８と突起部１７８の面積が大きいので、突起部１２８と突起部１７８を流出入する電流の集中を緩和することができる。したがって、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池１００Ａ−５が提供できる。

以上のように、実施形態１−５に係る電池１００、１００Ａ、１００−２、１００Ａ−２、１００−３、１００Ａ−３、１００−４、１００Ａ−４、１００−５、１００Ａ−５によれば、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８との間を流出入する電流の集中を避けることができる。このため、正極１３０と負極１８０との間で電流が均一に流れるようになり、エネルギー密度と出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池が提供できる。また、これらの電池は３Ｄプリンタによって製造されるので、生産性、信頼性、製造上の問題が生じることがない。

（従来の電池と実施形態１−５に係る電池の比較）
次に、従来の電池と比較して実施形態１−５に係る電池が、同一の大きさであるのに高容量、高出力の電池とできる理由を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１９は、従来の電池の正極と負極との間の電流密度分布の説明に供する図である。

図１９に示す従来の電池は、正負の両電極が長方形の凹凸を繰り返す櫛形形状である。この電池は、図に示すように、正極および負極の両電極間を流出入する電流密度分布が均一ではなく、電流密度が粗の部分と電流密度が密の部分とが混在している。具体的には、正極および負極の突起している部分の隅部分、鋭角な部分に電流が集中し、正極および負極の平坦な部分は電流があまり流れていない。このように、電流密度が不均一な部分があると、電池としての十分な入出力特性を得ることができず、小型化を目指しつつ、高容量、高出力の電池とすることが難しい。

このため、実施形態に係る電池では、正極および負極の突起部の形状から鋭角な部分を排除し突起部の形状を工夫することによって、電流が集中する部分をなくしている。実施形態１に係る電池１００では、図１に示したように、正極１３０の突起部１２８および負極１８０の突起部１７８の形状を、曲線のみからなる形状としている。さらに、セパレータ１５０との接触面積が大きくなるように、突起支柱部１２４、１７４から突起先端部１２６、１７６に向けて、寸法が増加するような形状としている。これらの形状によって、正極１３０の突起部１２８と負極１８０の突起部１７８との間におけるリチウムイオンの移動距離を短くしている。

図２０は、従来の電池と実施形態１に係る電池のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションは、正極と負極との間の電解液リチウム電位分布、電流密度分布、活物質リチウム濃度分布について行った。このシミュレーション手法とシミュレーション条件は、Ｇｒａｈａｍ Ｍ．Ｇｏｌｄｉｎ ｅｔ ａｌ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，６４，１１８−１２９（２０１２）［文献１］に記載されている多孔質電極理論（Ｐｏｒｏｕｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｔｈｅｏｒｙ）を用い、多孔質電極理論に基づいて定型化している。その際の解析仮定は以下の通りである。
・ＳＯＣ（充電率）＝５０％からの１Ｃの放電解析とする。
・固体・固体の界面抵抗の影響は無視する。
・体積膨張収縮の影響は無視する。
・等温状態であり過電圧による熱損失の影響は無視する。
・電極層は均一多孔質体（空隙率、活物質体積割合は一様一定）とする。
・正極と負極は対称構造であるとする。
・電解質中のイオン輸送は伝導のみで起きる（濃度勾配はなく拡散効果は無視する）とす
る。
・活物質内のリチウムイオンの拡散は十分速く、電解質界面と粒子内部の濃度分布はなく
、一様であるとする。

また、シミュレーションに用いた基礎式は以下の通りである。
（１）活物質電位分布

（２）電解質内Ｌｉ＋濃度分布

（３）電解質電位分布

（４）電極反応（Ｂｕｔｌｅｒ−Ｖｏｌｍｅｒ式）

（５）交換電流密度

（６）過電圧（正極、負極）

［文献２］は、Ｄ．Ｋ．Ｋａｒｔｈｉｋｅｙａｎ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ １８５ １３９８（２００８）であり、
［文献３］は、Ａ．Ｍ．Ｃｏｌｃｌａｓｕｒｅ ｅｔ ａｌ．，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍ．Ａｃｔａ ５５ ８９６０（２０１０）である。

シミュレーションの計算条件は下記の通りである。
・正極：コバルト酸リチウム、負極：黒鉛、電解質：固体電解質
・電池全体：３８４μｍ×３８４μｍ（４８メッシュ×４８メッシュ）
・１メッシュ：８μｍ
・電池全体で正極、負極、電解質層の割合はそれぞれ等しく１／３ずつとする。
・電極層は活物質０．５、電解質０．３、電解質層は０．２の体積割合とする。
・有効イオン伝導度、有効電子伝導度は上記体積割合の２．４乗とする。

このシミュレーションでは、以上の基礎式に基づきイオン電位、電子電位分布を収束計算により求め、その後各時間ステップで活物質内の濃度分布を計算する。これを時間ステップごとに繰り返すことにより、電池内部の状態の時間変化を算出する。

以上のシミュレーション手法とシミュレーション条件によって、従来の電池と実施形態１に係る電池をシミュレーションした結果は、図２０に示す通りである。

ＳＯＣ＝５０％から１Ｃの放電を行ったときの、正極と負極との間の電解液リチウム電位分布をシミュレーションすると、実施形態１に係る電池１００は、正極と負極との間の電解液リチウム電位分布が均一であることがわかる。一方、従来の電池は、正極と負極との間の電解液リチウム電位分布が均一でなく、特に、櫛形の電極の先端部の角の部分の電解液リチウム電位分布が明らかに不均一であることがわかる。

また、ＳＯＣ＝５０％から１Ｃの放電を行ったときの、正極と負極との間の電流密度分布をシミュレーションすると、実施形態１に係る電池１００は、正極と負極との間の電流密度分布が均一であることがわかる。一方、従来の電池は、正極と負極との間の電位分布が均一でなく、特に、櫛形の電極の先端部の電流密度分布が明らかに高いことがわかる。

さらに、ＳＯＣ＝５０％から１Ｃの放電を行ったときの、正極と負極との間の活物質リチウム濃度分布をシミュレーションすると、実施形態１に係る電池１００は、正極と負極との間の活物質リチウム濃度分布が均一であることがわかる。一方、従来の電池は、正極と負極との間の活物質リチウム濃度分布が均一でなく、特に、櫛形の電極の先端部の活物質リチウム濃度分布が不均一であることがわかる。

以上のシミュレーション結果に示されている通り、実施形態１に係る電池１００は、従来の電池と比較して、明らかに、正極と負極との間の電解液リチウム電位分布、電流密度分布、活物質リチウム濃度分布が均一である。

その理由としては次のようなことが考えられる。従来の電池は正極および負極が櫛形であるので、正負極間の容量が突起部の先端においてアンバランスになっている、その先端部の電気抵抗が先端部で高くなっている、その先端部でイオン移動距離が長くなっている、などの不均一を誘発させる要因がある。一方、実施形態１に係る電池１００は、正極および負極が球状であるので、上記のような、不均一を誘発させる要因はない。これがシミュレーションの結果をもたらす理由である。

なお、シミュレーションは実施形態１に係る電池１００について行っているが、実施形態１から５に係る全てのタイプの電池１００Ａ、１００−２、１００Ａ−２、１００−３、１００Ａ−３、１００−４、１００Ａ−４、１００−５、１００Ａ−５についても、実施形態１に係る電池１００のシミュレーション結果と大差はない。

図２１は、従来の電池と実施形態１に係る電池のＳＯＣ−電圧特性（１Ｃ）を示すグラフである。また、図２２は、従来の電池と実施形態１に係る電池のＳＯＣ−電圧特性（５Ｃ）を示すグラフである。ここで、ＳＯＣとは、満充電を１とした場合の現在の電池の残容量の割合であり、電池の充電率のことをいう。たとえば、現在の電池の残容量が満充電の半分であれば、ＳＯＣは０．５である。

図２１は、櫛形電極を持つ従来の電池と球状電極を持つ実施形態１に係る電池１００が満充電（充電率１．０）の状態から１Ｃの放電を行ったときに、どのように電圧が低下するかを示している。また、図２２は、満充電（充電率１．０）の状態から５Ｃの放電を行ったときに、どのように電圧が低下するかを示している。

まず、従来の電池で１Ｃの放電をさせたときには、電圧がＳＯＣの低下ととともに低下し、ＳＯＣ１．０の時に４．０Ｖであった電圧がＳＯＣ０．２では３．０５Ｖ程度まで低下している。同様に、実施形態１に係る電池１００で１Ｃの放電をさせたときには、従来の電池と同様に、電圧がＳＯＣの低下ととともに低下するが、その低下の度合いは従来の電池よりも緩慢である。実施形態１に係る電池１００では、ＳＯＣ１．０の時に４．０Ｖであった電圧がＳＯＣ０．２でも３．５Ｖ程度までしか低下していない。

また、従来の電池で５Ｃの放電をさせたときには、電圧がＳＯＣの低下ととともに急激に低下し、ＳＯＣ１．０の時に４．０Ｖであった電圧がＳＯＣ０．８では３．１５Ｖ程度まで低下している。同様に、実施形態１に係る電池１００で５Ｃの放電をさせたときには、従来の電池と同様に、電圧がＳＯＣの低下ととともに急激に低下するが、その低下の程度は従来の電池よりも緩慢である。実施形態１に係る電池１００では、ＳＯＣ１．０の時に４．０Ｖであった電圧がＳＯＣ０．２でも３．６Ｖ程度までしか低下していない。

これらのグラフを見ると、電池の性能としては、電圧の低下が緩慢である実施形態１に係る電池１００の方が従来の電池に比較して優れていることは明らかである。

図２３は、従来の電池と実施形態１に係る電池のＤＯＤ−放電レート特性を示すグラフである。ここで、ＤＯＤ（放電深度）とは、電池の放電容量に対する放電量の比のことをいう。たとえば、放電容量１０００ｍＡｈの電池を７００ｍＡｈで放電したとすると、その放電深度は７０％である。また、放電レートとは、電池容量に対する放電時の電流の相対的な比率である。たとえば、放電レートが１Ｃとは、公称容量値の容量を持つ電池を定電流放電して、ちょうど１時間で放電終了となる電流値のことであり、定格容量１０Ａｈの電池において放電レートが１Ｃのときには１０Ａとなり、１０Ｃのときには１００Ａとなる。

図２３のグラフに示されているように、従来の電池と比較して、実施形態１に係る電池１００は、全ての放電レートの範囲に亘って、ＤＯＤの値が大きくなっている。つまり、実施形態１に係る電池１００は、大電流を出力しても大きな充電率を維持することができる。このため、実施形態１に係る電池１００は、電池のエネルギー密度と電池の出力密度とが向上しており、高容量、高出力の電池となっている。

これは、正負の電極間の電流密度が均一であるからであり、充放電サイクルの耐久性の向上にも期待ができる。このことは、実施形態１に係る電池１００以外、実施形態１から５に係る全てのタイプの電池１００Ａ、１００−２、１００Ａ−２、１００−３、１００Ａ−３、１００−４、１００Ａ−４、１００−５、１００Ａ−５についても言えることである。

以上の説明の通り、実施形態１−５に係る電池１００、１００Ａ、１００−２、１００Ａ−２、１００−３、１００Ａ−３、１００−４、１００Ａ−４、１００−５、１００Ａ−５によれば、正負の電極間に電流が均一に流れるようになるため、電池のエネルギー密度と電池の出力密度とが向上した、高容量、高出力の電池とすることができる。

以上、本発明に係る電極、その電極を用いた電池およびその電池の製造方法の実施形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内において様々な形態を採ることもある。

１００、１００Ａ、１００−２、１００Ａ−２、１００−３、１００Ａ−３、１００−４、１００Ａ−４、１００−５、１００Ａ−５ 電池、
１１０ 正極集電体、
１２０ 正極電極、
１２２、１７２ 土台部、
１２４、１７４ 突起支柱部、
１２６、１７６ 突起先端部、
１２８、１７８ 突起部、
１３０ 正極、
１５０ セパレータ、
１６０ 負極集電体、
１７０ 負極電極、
１８０ 負極。

Claims (12)

1. 土台部と、互いに間隔を開けて並び前記土台部から突出する複数の突起部と、を備え、
   前記突起部のそれぞれは、
   前記土台部から突出する突起支柱部と、
   前記突起支柱部から突出する突起先端部と、から構成され、
   前記突起部が並ぶ方向の、前記突起先端部の最大幅は前記突起支柱部の最小幅よりも大きく、
   前記突起部を、前記突起部が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、前記突起部の断面の外形形状は曲線のみで形成されていることを特徴とする電極。
2. 土台部と、互いに間隔を開けて並び前記土台部から突出する複数の突起部と、を備え、
   前記突起部のそれぞれは、
   前記土台部から突出する突起支柱部と、
   前記突起支柱部から突出する突起先端部と、から構成され、
   前記突起部が並ぶ方向の、前記突起先端部の最大幅は前記突起支柱部の最小幅よりも大きく、
   前記突起部を、前記突起部が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、前記突起部の断面の外形形状は曲線および直線を交えて形成されていることを特徴とする電極。
3. 土台部と、互いに間隔を開けて並び前記土台部から突出する複数の突起部と、を備え、
   前記突起部のそれぞれは、
   前記土台部から突出する突起支柱部と、
   前記突起支柱部から突出する突起先端部と、から構成され、
   前記突起部が並ぶ方向の、前記突起先端部の最大幅は前記突起支柱部の最小幅よりも大きく、
   前記突起部を、前記突起部が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、前記突起先端部の断面積は、前記突起支柱部の断面積よりも大きく、
   前記突起先端部は前記突起支柱部の幅方向の両側に広がる構造であることを特徴とする電極。
4. 前記突起先端部は前記突起支柱部を中心として、前記突起支柱部の幅方向の両側に広がる構造であることを特徴とする請求項３に記載の電極。
5. 前記突起部を、前記突起部が並ぶ方向に沿って垂直に切断したときの、前記突起先端部の断面積は、前記突起支柱部の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の電極。
6. 前記突起部の断面の外形形状の角部は、少なくとも前記突起先端部の最大幅の１０％以上の範囲で曲線的に面取りされていることを特徴とする請求項２に記載の電極。
7. 前記突起部は、前記突起部が並ぶ方向に対して交差する方向に延伸していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電極。
8. 請求項１から７のいずれかに記載された電極を正極および負極とし、
   前記正極のそれぞれの隣り合う突起部の間に前記負極の突起部が位置され、前記正極の突起部と前記負極の突起部との間にはセパレータが介在されることを特徴とする電池。
9. 前記正極の突起部の寸法および形状と前記負極の突起部の寸法および形状とは同一であることを特徴とする請求項８に記載の電池。
10. 前記正極の突起部の寸法および形状は、前記負極の突起部の寸法および形状とは異なる寸法および形状であることを特徴とする請求項８に記載の電池。
11. 前記正極の突起部を形成する突起先端部の形状と前記負極の突起部を形成する突起先端部の形状は類似する形状であることを特徴とする請求項１０に記載の電池。
12. 請求項８から１１のいずれかに記載の電池の製造方法であって、
    ３Ｄプリンタにより、
    正極または負極の土台部を形成する段階と、
    正極または負極の突起支柱部およびセパレータを交互に形成する段階と、
    正極または負極の突起支柱部、セパレータ、負極または正極の突起先端部、セパレータを繰り返し形成する段階と、
    正極または負極の突起先端部、セパレータ、負極または正極の突起支柱部、セパレータを繰り返し形成する段階と、
    負極または正極の突起支柱部およびセパレータを交互に形成する段階と、
    負極または正極の土台部を形成する段階と、
    を実施することによって電池を製造することを特徴とする電池の製造方法。

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